基于振動特征指標(biāo)與Kriging模型的結(jié)構(gòu)損傷識別方法研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)損傷識別一直是土木工程、航空航天、海洋工程等事業(yè)的熱門研究課題。近半個(gè)世紀(jì)以來，損傷識別理論和試驗(yàn)技術(shù)得到了空前的發(fā)展。人們致力于尋找一種實(shí)時(shí)的、魯棒的、無損的、高效的結(jié)構(gòu)損傷識別方法。其中，基于振動測試的損傷識別方法引起了學(xué)術(shù)界和工程界廣泛的關(guān)注與研究，其基本思路是通過結(jié)構(gòu)損傷引起的動力學(xué)特征和響應(yīng)的變化，來檢測損傷的位置，并預(yù)測損傷的程度。結(jié)構(gòu)損傷識別屬于系統(tǒng)參數(shù)辨識的理論范疇，它不僅僅是單純意義上的對結(jié)構(gòu)功能和性態(tài)的診斷和修復(fù)

2、，更積極的意義在于使人們重新認(rèn)識結(jié)構(gòu)的特征，并指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員對以后的類似結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。
　　完整意義上的損傷識別問題包括四個(gè)部分，即判斷結(jié)構(gòu)是否存在損傷，損傷的定位，損傷定量分析，和評估結(jié)構(gòu)損傷后的剩余服役壽命。本文從損傷的定位和定量分析入手，總結(jié)了當(dāng)前的損傷識別研究進(jìn)展，將以往的損傷識別方法分為損傷定位檢測方法，損傷定量識別方法和結(jié)構(gòu)裂紋識別方法。對連續(xù)體結(jié)構(gòu)的損傷識別方法進(jìn)行了系統(tǒng)地基礎(chǔ)性研究，具體工作有以下幾個(gè)方面:

3、>　　1.概述了當(dāng)前研究中常用的損傷定位基礎(chǔ)指標(biāo)。針對于不同測量點(diǎn)位置的選取對多損傷區(qū)域敏感程度的差異，以頻響函數(shù)曲率指標(biāo)為基礎(chǔ)，提出了一種多步的檢測方法，使用少量的傳感器進(jìn)行多步判定，來提高損傷定位的準(zhǔn)確性和可靠性。通過簡支梁的有限元數(shù)值算例，詳細(xì)比較了模態(tài)曲率方法、柔度曲率方法和基于頻響函數(shù)曲率的多步判定方法對梁狀多損傷結(jié)構(gòu)的識別效果和抗噪能力。最后采用試驗(yàn)建模的技術(shù)，對局部減薄的多損傷管道和局部裂紋的單損傷管道進(jìn)行損傷識別試驗(yàn)研究

4、。
　　2.研究了僅利用損傷后結(jié)構(gòu)的振動特征指標(biāo)進(jìn)行損傷定位的方法。根據(jù)頻響函數(shù)虛部與模態(tài)柔度的相關(guān)性，建立了一種基于頻響函數(shù)虛部類的損傷定位指標(biāo)，通過引入間隙平滑方法(GSM)來定位損傷。數(shù)值算例比較了模態(tài)陣型指標(biāo)、均勻載荷面指標(biāo)和頻響函數(shù)虛部類指標(biāo)對于板結(jié)構(gòu)多損傷檢測的準(zhǔn)確性和抗噪聲能力，討論了該指標(biāo)的優(yōu)越性。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了基于Thompson離群點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析與間隙平滑方法相結(jié)合的損傷定位方法，對噪聲引起的偶然性奇異值

5、進(jìn)行篩選和剔除，從而達(dá)到噪聲抑制的目的。
　　3.針對于損傷定量識別反演問題的多維度、多極值特點(diǎn)，利用SCE(ShuffledComplex Evolution)優(yōu)化算法作為損傷識別的基礎(chǔ)。通過建立振動特征指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)，將損傷定量識別問題轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問題。為了進(jìn)一步縮短優(yōu)化迭代的時(shí)間，引入了Kriging代理模型的理論。根據(jù)SCE算法中的復(fù)合型進(jìn)化過程與Kriging代理模型更新過程的共同特點(diǎn)，將兩者結(jié)合起來，提出了一種Krigi

6、ng-SCE算法。使用滿足精度準(zhǔn)則的Kriging代理模型，替代有限元分析過程。對于復(fù)合型進(jìn)化中的當(dāng)前最優(yōu)點(diǎn)停滯使得代理模型無法更新問題，給出了一種基于多元正態(tài)分布抽樣的加點(diǎn)方法，數(shù)值和試驗(yàn)算例比較了各個(gè)損傷指標(biāo)構(gòu)成的目標(biāo)函數(shù)在優(yōu)化過程中的計(jì)算效率。
　　4.提出了基于Kriging代理模型的結(jié)構(gòu)裂紋識別策略。利用初始樣本構(gòu)造Kriging代理模型，建立裂紋模型參數(shù)與結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的關(guān)系，來代替原有損傷參數(shù)與結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)關(guān)系，從而最